第2章電機電器及其控制技術1電氣工程概論電機是以電磁感應現象為基礎實現機械能與電能之間的轉換以及變換電能的機械，包括旋轉電機和變壓器兩大類。旋轉電機機電能量轉換裝置發電機機械能→電能電動機電能→機械能變壓器電能變換裝置2電氣工程概論控制電機閥門控制火炮控制計算機……驅動各種機械和裝備電動機機床水泵……電能的生產、傳輸和分配發電機變壓器……2.1電機的作用與發展簡史電機的作用3電氣工程概論1831年法拉第創造了第一部感應發電機的模型1834年雅可比發明了功率為15W的棒狀鐵芯電動機1836年達文波特首先嘗試用電動機驅動機械1845年惠斯通用電磁鐵替代永久磁鐵制成第一臺電磁鐵發電機1866年西門子制成第一臺使用電磁鐵的自激式發電機1870年格拉姆制成了環形電樞自激發電機1878年出現了鐵芯開槽法。有槽鐵芯和鼓形繞組的結構一直沿用至今1880年愛迪生制造了名為“巨象”的大型直流發電機1885年費拉里斯提出旋轉磁場原理，研制出兩相異步電動機1888年俄國人制成一臺三相交流單鼠籠異步電動機4電氣工程概論1882年英國人費朗蒂改進了交流發電機，提出了交流高壓輸電的概念1882年英國人高登制造了大型兩相交流發電機1882年法國人高蘭德和英國人約翰·吉布斯成功研制了第一臺實用變壓器1884年英國人霍普金生又發明了具有封閉磁路的變壓器1891年布洛在瑞士制造出高壓油浸變壓器，使得遠距離高壓輸電成為現實經過100多年的發展，電機的理論已經相當成熟。但是，隨著電工科學、材料科學、計算機科學與控制技術的發展，電機的發展又進入了新的階段。5電氣工程概論按電流分類直流電機交流電機按功能分類(1)將機械功率轉換為電功率——發電機(2)將電功率轉換為機械功率——電動機(3)將電功率轉換為另一種形式的電功率，又可分為：

輸出和輸入有不同的電壓——變壓器輸出與輸入有不同的波形，如將交流變為直流——變流機輸出與輸入有不同的頻率——變頻機輸出與輸入有不同的相位——移相機(4)在機電系統中起調節、放大和控制作用的電機——控制電機按運行速度分類(1)靜止設備——變壓器(2)沒有固定的同步速度——直流電機(3)轉子速度永遠與同步速度有差異——異步電機(4)速度等于同步速度——同步電機(5)速度可以在寬廣范圍內隨意調節——交流換向器電機按功率大小分類大型電機中小型電機微型電機電機的分類2.2電機的分類與結構6電氣工程概論特種電機：步進電機，無刷電機，開關滅磁電機，超聲波電機，…7電氣工程概論發電機將機械能轉變為電能的機械水輪機風力機蒸汽輪機燃氣輪機柴油機…轉子定子(b)定子轉子（a）8電氣工程概論電動機將電能轉變為機械能的機械同步電動機異步電動機直流電動機伺服電動機…轉子定子鐵心機座定子繞組9電氣工程概論電動機10電氣工程概論變壓器將一種電壓的電能變換為另一種電壓的電能的裝置單相變壓器三相變壓器…11電氣工程概論特種電機1）永磁無刷電動機應用：航空、航天家用電器機器人電動汽車電動車組電動艦船…12電氣工程概論特種電機2）直線電機應用：工業機械；軌道交通；電梯；航空母艦飛機發射；導彈發射架；電磁推進潛艇；…海浪直接驅動直線發電機13電氣工程概論特種電機3）步進電動機應用：自動控制裝置中的執行元件各種步進電動機14電氣工程概論特種電機4）超導電機應用：超大型發電機或電動機全電軍艦吊艙式推進系統超導直流電動機剖面圖15電氣工程概論特種電機5）超聲波壓電電動機應用：生物生命科學；光學儀器；高精密機械；…微型超聲波壓電電動機16電氣工程概論

(一)異步電機的結構

1定子：定子鐵芯由硅鋼片沖片疊成，沖片內圓上的槽用來嵌放定子繞組。

2轉子：主要由轉子鐵芯、轉子繞組和轉軸三者構成。轉子繞組分為繞線型和鼠籠型兩類。

異步電動機1、結構17電氣工程概論18電氣工程概論19電氣工程概論采用鑄鋁的鼠籠式轉子20電氣工程概論

鼠籠式三相異步電動機結構21電氣工程概論繞線式異步電動機結構22電氣工程概論2、轉動原理23電氣工程概論24電氣工程概論兩極旋轉磁場的形成如圖所示，將異步電動機的3個定子繞組接成“星”型，并將它的3個首端A、B、C分別與三相電源相聯接。3個定子繞組的尺寸、匝數和其他特性是完全相同的，僅空間位置彼此相差120°。當接通三相對稱電源后，其中將產生對稱的三相電流，設它們分別為：25電氣工程概論三相電流iA、iB和iC的波形26電氣工程概論

三相兩極旋轉磁場27電氣工程概論二極旋轉磁場的如下特點。（１）空間上互為120°的3個定子繞組接通相位互為120°的三相正弦交流電源時，可以產生以ω角速度勻速旋轉的磁場。（２）旋轉磁場的方向與三相電源的相序有關。當三相電源的相序為Ａ-B-C時，旋轉磁場按順時針方向旋轉，電動機正轉。當三相電源的相序改變為A-C-B時，旋轉磁場則按逆時針方向旋轉，電機反轉。（３）旋轉磁場的變化頻率與三相電源的變化頻率一致。三相交流電變化一個周期，旋轉磁場則旋轉一圈。三相交流電的頻率為50Hz，二極旋轉磁場每秒鐘就轉過50轉。即轉速為50×60=3000r／min。28電氣工程概論旋轉磁場的極對數上面討論的旋轉磁場只有兩個極，即只有一對Ｎ、S極，故稱為一對極。用（p=1）表示。如果電動機的磁場不只兩個極，則為多極旋轉磁場，如四極旋轉磁場有兩對Ｎ、Ｓ極，稱為二對極，用p=2表示。同理，六極旋轉磁場具有３對N、S極，稱為３對極，用p=3表示。通常我們所說的電動機的對極數就是指電動機中旋轉磁場的對極數。旋轉磁場對極數增加時，電動機的同步轉數將會按比例減少?？梢宰C明p對極旋轉磁場轉速（同步轉速）的一般公式為29電氣工程概論我國電工標準規定f1=50Hz，則n1和p的對應關系可用下表列出。

表同步轉速與極對數的關系

顯然，可以通過增加極對數來降低轉速，但極對數的增加需要采用更多的定子線圈和加大電動機的鐵芯，這將使電動機的成本提高和重量增大。常用電機的極對數多為1~4。需要繼續降低轉速時，采用其他方法。p（極對數）12345…n1/(r/min)300015001000750600…30電氣工程概論轉速上面我們討論的轉速是旋轉磁場的轉速，即同步轉速，電動機的轉速是指轉子的轉速，兩者不能混淆。從電動機轉動的過程可以看出：轉子的轉速n與旋轉磁場的轉速n1有關，但它不可能超過和完全等于旋轉磁場的轉速，即n<n1。轉子之所以與旋轉磁場同向旋轉，是因為它們之間存在著相對運動，這樣轉子的導體才能切割旋轉磁場的磁力線，感生出轉子電流，并受到磁場力矩的作用而旋轉。沒有相對運動，就沒有轉子電流和電磁轉矩，轉子也就不可能轉動。正是因為電動機的轉速n（轉子轉速）與旋轉磁場的轉速不同，我們才把這種電動機稱為“異步”電動機。31電氣工程概論轉差率s：旋轉磁場的轉速n1與轉子轉速n的差值與同步速度n1的比值?？筛鶕D差率來判斷異步電機的運行狀態。1電動機運行狀態：0<s<12發電機運行狀態:-∞<s<03電磁制動運行狀態:在外力的作用下，轉子轉速與旋轉磁場方向相反，s>1。32電氣工程概論三相異步電動機的“電－磁”關系：

i2轉、定子電路R1R2i1u1e1e

1e2e

2：漏磁通產生的漏感應電動勢。：主磁通產生的感應電動勢。e1e2、e

1e

2、設：則：定子邊：3、三相異步電動機的電路分析33電氣工程概論R1R2i1u1e1e

1e2e

2同理得轉子邊：i234電氣工程概論：轉子感應電動勢的頻率：轉子線圈匝數取決于轉子和旋轉磁場的相對速度35電氣工程概論電磁轉矩

T：轉子中各載流導體在旋轉磁場的作用下,受到電磁力所形成的轉距之總和。常數每極磁通轉子電流轉子電路的1轉矩公式4、三相異步電動機的轉矩與機械特性36電氣工程概論R1R2i1u1e1e

1e2e

2其中轉子功率因數：i237電氣工程概論COSψ2I2I2,COSψ21S0結論：轉子電路的電動勢、電流、頻率、感抗、功率因數等都與轉差率S有關，與轉差率S的關系如右圖所示。I2、COSψ238電氣工程概論將其中參數代入：得到轉矩公式39電氣工程概論2三相電動機的機械特性根據轉矩公式10n1Tn得特性曲線：40電氣工程概論電動機的自適應負載能力：

電動機的電磁轉矩可以隨負載的變化而自動調整，這種能力稱為自適應負載能力。常用特性段n1nT自適應負載能力是電動機區別于其它動力機械的重要特點。（如：柴油機當負載增加時，必須由操作者加大油門，才能帶動新的負載。）直至新的平衡。此過程中，時，電源提供的功率自動增加。41電氣工程概論三個重要轉矩：n1Tn額定轉矩：電機在額定電壓下，以額定轉速運行，輸出額定功率

時，電機轉軸上輸出的轉矩。(1)（牛頓?米）nN42電氣工程概論如果電機將會因帶不動負載而停轉。最大轉矩：(2)電機帶動最大負載的能力。n1Tn求解43電氣工程概論過載系數：三相異步機工作時，一定令負載轉矩，否則電機將停轉。致使注意：（1）三相異步機的和電壓的平方成正比，所以對電壓的波動很敏感，使用時要注意電壓的變化。（2）電機嚴重過熱44電氣工程概論起動轉矩：(3)電機起動時的轉矩。n1Tn其中則體現了電動機帶載起動的能力。若電機能起動，否則將起動不了。45電氣工程概論機械特性和電路參數的關系和電壓的關系結論：46電氣工程概論和轉子電阻的關系R2的

改變

：鼠籠式電機轉子導條的金屬材料不同，線繞式電機外接電阻不同。

令：得：結論：47電氣工程概論機械特性的軟硬硬特性：負載變化時，轉速變化不大，運行特性好。軟特性：負載增加轉速下降較快，但起動轉矩大，起動特性好。硬特性（R2小）軟特性（R2大）不同場合應選用不同的電機。如金屬切削，選硬特性電機；重載起動則選軟特性電機。48電氣工程概論5、三相異步機的起動起動電流：中小型鼠籠式電機起動電流為額定電流的5~7倍。定子電流原因：起動時，轉子導條切割磁力線速度很大。轉子感應電勢轉子電流大電流使電網電壓降低影響其他負載工作頻繁起動時造成熱量積累電機過熱影響：49電氣工程概論三相異步機的起動方法：（1）直接起動。二三十千瓦以下的異步電動機一般采用直接起動。工業上一般規定，在用電單位有獨立變壓器不頻繁啟動時，電動機功率小于變壓器容量的30%；當頻繁啟動，電動機的功率小于變壓器容量的20%時，允許采用直接啟動。（2）降壓起動。Y－起動自耦降壓起動（3）轉子串電阻起動。以下介紹Y－起動和轉子串電阻起動。（4）軟起動50電氣工程概論Y－起動：正常運行AZBYXC

起動ABCXYZ設：電機每相阻抗為51電氣工程概論52電氣工程概論AZBYXC正常運行UPABCXYZ起動UP'（2）Y－起動應注意的問題：（1）僅適用于正常接法為三角形接法的電機。所以降壓起動適合于空載或輕載起動的場合Y－起動。53電氣工程概論轉子串電阻起動定子RRR線繞式轉子起動時將適當的R串入轉子繞組中，起動后將R短路。54電氣工程概論轉子串電阻起動的特點：適于轉子為線繞式的電動機起動。（1）（2）R選的適當，轉子串電阻既可以降低起動電流，又可以增加起動轉矩。55電氣工程概論6、三相異步電動機的調速1.改變極對數有級調速。2.

改變轉差率

無級調速調速方法：ST改變定子繞組電壓或改變轉子繞組電阻56電氣工程概論3.改變電源頻率

(變頻調速)

無級調速變頻電源可變此種調速方法發展很快，且調速性能較好。其主要環節是研制變頻電源（常由整流器、逆變器等組成）。57電氣工程概論制動方法：機械制動和電氣制動

1.機械制動--抱閘：加機械抱閘；

2.電氣制動（1）反接制動：停車時，將電動機接電源的任意兩相反接，使電動機由原來的旋轉方向反過來，以達制動的目的；

7、三相異步電動機的制動反接制動時，定子旋轉磁場與轉子的相對轉速很大。為限制電流，在制動時要在定子或轉子中串電阻。即切割磁力線的速度很大，造成，引起。注意：58電氣工程概論（3）.發電反饋制動：

令電機轉子的轉速超過旋轉磁場的同步轉速，便會產生制動轉矩。M3~+-運行制動nF轉子（2）.能耗制動：停車時，斷開交流電源，接至直流電源上，產生制動轉矩；nFno59電氣工程概論（4）、渦流制動渦流制動是另外安裝一個利用渦流吸收能量的制動器。利用勵磁電磁鐵與感應體的相對運動，在感應體中產生渦流，渦流產生的磁場與勵磁電磁鐵產生的磁場相互作用，獲得的與電動機運動方向相反的作用力分量，即為制動力。60電氣工程概論（1）.型號Y132M－4磁極數(極對數p=2)同步轉速1500轉/分轉差率8、

三相異步電動機的銘牌數據（2）.轉速:電機軸上的轉速（n)。

如：n=1440轉/分M中機座L長機座S短機座61電氣工程概論（3）.聯接方式：Y/接法：

Y接法：

接法：ABCZXYABCZXYABCXYZAZBYXC62電氣工程概論三相異步電動機的接線方法V2U1U2V1W1W2定子繞組在接線盒中布置定子繞組的Y型連接定子繞組的Δ型連接63電氣工程概論（4）.額定電壓：定子繞組在指定接法下應加的線電壓.說明：一般規定電動機的運行電壓不能高于或低于額定值的5％。線電壓AZBYXC線電壓ABCXYZ例：380/220Y/是指：線電壓為380V時采用Y接法；當線電壓為220V時采用接法。64電氣工程概論電壓波動對電動機的影響65電氣工程概論（5）.額定電流：定子繞組在指定接法下的線電流。如：表示：三角形接法時，電機的線電流為11.2A，相電流為6.48A；星形接法時線、相電流均為6.48A。（6）.額定功率P2：

額定功率指電機在額定運行時軸上輸出的功率（），不等于從電源吸收的功率（）。兩者的關系為：其中鼠籠電機=72－93％66電氣工程概論額定負載時cos一般為0.7~0.9

，空載時功率因數很低約為0.2~0.3。額定負載時，功率因數最大。注意：實用中應選擇合適容量的電機，防止“大馬”拉“小車”的現象。（7）.功率因數(cos)：P2PN此外還有絕緣等級等參數，不一一介紹。cos67電氣工程概論

9、三相異步電動機的選擇、使用

一、

三相異步電動機的選擇1．種類選擇電動機種類的選擇主要依據供電電源、機械性能、調速要求、啟動性能和使用、維護以及市場價格等因素，為此我們應該了解各種類型電動機的主要特點。68電氣工程概論

2．結構類型選擇

(1）開啟式。這種電動機無特殊遮掩和防護裝置，通風、散熱良好，適用于干燥、清潔、無易燃易爆氣體的場所。

(2）防護式。這是最常用的電動機結構形式，電動機的機體被保護起來，只有機殼下面有通風孔。能防止雜物落入機內，通風、散熱良好，但不防潮，適用于灰塵不多、比較干燥的場所。

(3）封閉式。這種電動機的外殼嚴格密封，內、外隔離，外殼帶散熱片，靠自身風扇冷卻，適用于潮濕、多塵的場所。

(4）防爆式。包括接線端子在內全部嚴格密封，不讓火花串到機殼外，也能防止易燃、易爆氣體侵入，并能承受爆炸的壓力，適用于化工、煤礦或其他有爆炸性氣體的場所。69電氣工程概論

3．轉速選擇電動機的轉速與價格關系較大。相同容量和電壓的電動機如果其轉速不同，其價格就相差較遠。轉速越低，轉差率越大，轉矩也就越大。而轉矩大則要求電動機內有較大的磁通量和轉子電流，這將對電動機的結構提出更高的要求，使生產成本上升、價格變貴。一般盡量選用高轉速的電動機，必要時配減速器。通常的異步電動機都是4極，同步轉速n1=1500r/min。70電氣工程概論

4．容量選擇電動機容量的選擇主要依據電動機的工作方式。一般電動機的工作方式有連續、短時和重復短時3種。（1）對于負載恒定、連續工作的電動機，其額定功率應該等于或稍大于生產機械所需的功率。這有利于電動機的充分利用和功率因數的提高。（2）對于短時工作的電動機，一般允許過載。因為短時過載不會造成電動機過熱。工作時間越短，過載可以越大。具體應根據過載系數λ進行核算。71電氣工程概論二、三相異步電動機的繞組連接判別三相異步電動機本身有星形（Y）和三角形（△）兩種連接方法，如果電動機的三相定子繞組的6個接線端未標出或字樣模糊不清，我們可用下面的實驗方法和步驟確定。

1．判別3個定子繞組用萬用表的電阻檔或用帶小燈泡的電池測試電動機的任意兩個接線端，如果相通說明它們是同一繞組的首、尾端，否則不是。這樣可測出每個定子繞組的兩個接線端，并做好標記。72電氣工程概論

2．判別定子繞組首尾端

1）干電池判別法由此可以判別三個定子繞組的首、尾端，如圖所示。具體操作步驟如下：（1）任選一繞組作為初級，假定其首、尾端；（2）選一繞組作次級，將萬用表調至mA檔與此繞組兩端相連；（3）再將干電池通過開關S及限流電阻R接初級繞組的首尾端（正極接尾端，負極接首端），當S閉合瞬間，觀察萬用表指針的偏轉情況；73電氣工程概論

干電池判別法74電氣工程概論（4）判斷首尾端。注視萬用表（微安檔）指針擺動的方向，合上開關瞬間，若指針擺向大于0的一邊，則接電池正極的線頭與萬用表負極所接的線頭同為首端或尾端。如指針反向擺動，則接電池正極的線頭與萬用表正極所接的線頭同為首端或尾端。

（5）用同樣的方法再判別其他繞組的首、尾端。75電氣工程概論10、單相異步電動機一、概述

1、

應用情況單相異步電動機的功率小，主要制成小型電機。它的應用非常廣泛，如家用電器（洗衣機、電冰箱、電風扇）、電動工具（如手電鉆）、醫用器械、自動化儀表等。

2、優缺點優點：結構簡單，成本低廉，噪音小。缺點：與同容量三相異步電動機相比較，體積較大，功率因數及過載能力都較低。故單相異步電動機只能做成小容量：微型：幾瓦～750瓦；小型：550瓦～3700瓦。76電氣工程概論

3、

結構與三相異步電動機相似，包括定子和轉子兩大部分。轉子結構都是籠型的，定子鐵心由硅鋼片疊壓而成。定子鐵心上嵌有定子繞組。

77電氣工程概論4單相異步電動機的工作原理定子轉子定子繞組定子中通入單相交流電后，形成脈動磁場。其磁感應強度按正弦分布，且隨時間按正弦變化。78電氣工程概論定子繞組產生的脈動磁場（），可用正、反兩個旋轉磁場合成而等效。即：

+

-=

+

-=

mtm79電氣工程概論脈動磁場的分解④④⑥⑥⑧⑧②②-

+③③⑦